簡述無線電能與信息同步傳輸技術(shù)

武警士官學(xué)校 趙天宇

無線供電技術(shù)作為傳統(tǒng)線纜式供電的替代方案，在產(chǎn)品體積、接口壽命、交互友好等方面具有無可比擬的優(yōu)越性。而現(xiàn)代通信技術(shù)則隨著第五代移動通信技術(shù)5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步落地而迎來一輪新的發(fā)展高潮。二者的結(jié)合即無線電能與信息的同步傳輸技術(shù)，將會是未來電力電子學(xué)科與數(shù)字通信學(xué)科共同的研究熱點。

本文主要梳理了無線電能與信息同步傳輸技術(shù)的發(fā)展歷史，并介紹了不同場景下，基于不同方案的無線電能與信息同步傳輸技術(shù)原理及工作特性。

1 無線電能傳輸與無線通信技術(shù)簡介

無線電能傳輸技術(shù)這一概念早在19世紀(jì)就已由匈牙利科學(xué)家特斯拉提出，并在當(dāng)時已經(jīng)開展相關(guān)實驗。隨后在2007年由麻省理工學(xué)院Marin Soljacic團隊利用磁共振技術(shù)成功地在2m距離外點亮一只60W燈泡，這一成果使得產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界開始真正重視無線電能傳輸這一面向未來的電能傳輸方式，隨后包括新西蘭奧克蘭大學(xué)教授John Boys團隊、國內(nèi)重慶大學(xué)孫躍教授團隊等學(xué)者均在無線電能傳輸領(lǐng)域開展了深入研究。

而無線通信技術(shù)同樣可以上溯至19世紀(jì)，最早的無線通信技術(shù)即為貝爾等人所發(fā)明的光電話，但由于其受到天氣和環(huán)境影響較大，且收發(fā)端之間不能有障礙物阻擋光線，因此并沒有得到更廣泛的應(yīng)用。而現(xiàn)代通信所依賴的電磁載波技術(shù)則由意大利科學(xué)家馬可尼于1895年發(fā)明，并逐步發(fā)展至今天的5G蜂窩通信技術(shù)。

電磁波在電能變換和現(xiàn)代通信兩個不同領(lǐng)域內(nèi)分別扮演著能量和信息的載體角色。電能變換領(lǐng)域內(nèi)，研究者所關(guān)心的是電能傳輸功率與效率，并不希望作為載體的電磁波承載額外的通信功能；而在通信領(lǐng)域內(nèi)，研究者所關(guān)心的則是電磁波所承載的信息是否準(zhǔn)確傳遞，并不關(guān)心作為載體的電磁波本身是否得到有效利用，從而都造成了不同程度的浪費。因此若能實現(xiàn)無線電能與信號的同步傳輸，將有效提高電磁載波利用率，更可以為未來物聯(lián)網(wǎng)時代海量的電子產(chǎn)品和傳感器提供集成化的供電與通信方案。

2 無線電能與信息同步傳輸技術(shù)簡介及分類

從帶寬的角度分析可知，無線電能傳輸系統(tǒng)屬于典型的窄帶系統(tǒng)，如圖1(a)所示，電能傳輸功率和效率在收發(fā)側(cè)全諧振狀態(tài)時達到峰值，而頻率的偏移會造成電能傳輸能力的下降。與之相反的是無線通信系統(tǒng)屬于寬帶系統(tǒng)，根據(jù)香農(nóng)公式可知，信道容量與系統(tǒng)帶寬正相關(guān)，更高的帶寬可以換取更大的傳輸容量和通信速率，如圖1(b)所示。因此由以上分析可以看出，若要實現(xiàn)無線電能與信息同步傳輸，其核心問題在于協(xié)調(diào)不同系統(tǒng)對帶寬的需求引發(fā)的矛盾。

圖1(a) 窄帶系統(tǒng)示意圖

圖1(b) 寬帶系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)今主流的無線電能與信息同步傳輸(Simultaneous Wireless Power and Information Transmission,SWPIT)根據(jù)傳輸場景和實現(xiàn)方式的不同，如圖2所示大體可以分為以下幾種：遠場射頻能量收集、近場磁耦合、近場電場耦合，其中近場磁耦合又可以根據(jù)磁場作用方式的區(qū)別分為感應(yīng)式磁耦合和諧振式磁耦合。遠場與近場的劃分主要依據(jù)的是收發(fā)端之間距離，遠場一般指傳輸距離大于電磁波一個波長距離以上的場景，近場則一般指傳輸距離小于1/2個電磁波波長以下的場景。最常見的遠場場景包括廣播通信、基站通信、藍牙通信等，其工作頻率一般較高，處于射頻域內(nèi)，因此又稱為射頻通信。而近場場景一般包括NFC、RFID以及一系列無線充電場景等，工作頻率范圍較大，橫跨射頻域和低頻域。

圖2 SWPIT系統(tǒng)分類

遠場射頻能量收集工作原理如圖3所示，由發(fā)射側(cè)和接收側(cè)兩部分構(gòu)成，發(fā)射側(cè)由直流電源作為能量輸入，經(jīng)過微波功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生射頻功率信號，經(jīng)由發(fā)射天線以輻射形式發(fā)射，接收側(cè)由接收天線接收空間中電磁波，經(jīng)整流穩(wěn)壓后供直流負載使用。由于電磁波傳輸過程中不可避免地發(fā)生散射和損耗，因此接收側(cè)單位面積上接收到的功率相比發(fā)射功率有不同程度衰減，因此為了提高能量傳輸效率，應(yīng)當(dāng)提高收發(fā)天線定向性與增益。若要實現(xiàn)電能與信號的同步傳輸，學(xué)界主流方案是采用“功率動態(tài)分配”方法(Dynamic Power Splitting,DPS)，將接收天線接收到的能量進行動態(tài)分配，大部分功率信號用于能量收集，小部分功率信號用于信息解調(diào)，隨之而演變出兩種細分方法，分別是對能量在時域和頻域上進行分配，時域分配方法即對能量收集和信號解調(diào)進行時分復(fù)用，在某一時刻下系統(tǒng)要么在進行電能收集，要么在進行信號解調(diào)，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)集成，但電能傳輸效率略低于頻域分配法，且不是真正意義上的“同步傳輸”。而頻域分配方法則是采用超窄帶調(diào)制(Ultra Narrow Band Modulation)策略，使得傳輸信號頻譜在頻域上呈現(xiàn)“頻譜樹”和“頻譜草”特點，即絕大部分能量分布于主瓣。從而可以將“頻譜樹”的能量用于能量收集，“頻譜草”用于信號解調(diào)。這一設(shè)計優(yōu)點在于能量集中，可以獲得更高的能量收集功率，且不存在時域分割，屬于真正意義上的“同步傳輸”，缺點在于對調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計要求大大提高，且為收發(fā)天線的設(shè)計增加了難度。

圖3 遠場SWPIT示意圖

近場電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)大多依賴極板間的電容效應(yīng)來完成電能傳輸。其工作原理如圖4所示，US所產(chǎn)生的交流電能經(jīng)由P1、P2構(gòu)成的電容和P3、P4構(gòu)成的電容以及負載構(gòu)成回路進行傳輸。負載與電源之間僅由電容極板間的電場耦合，這一方法與采用磁場耦合相比，消除了電磁輻射降低了EMI，安全性能高，抗偏移能力較強等優(yōu)勢，但傳輸距離近、體積巨大等劣勢同樣顯而易見，目前針對近場電場耦合式傳輸技術(shù)的研究相對較少。

圖4 近場電場耦合式SWPIT示意圖

近場磁耦合式SWPIT則是目前研究最為廣泛，應(yīng)用前景也最為明確的一種技術(shù)。無論感應(yīng)式磁耦合還是諧振式磁耦合方式，其工作原理均如圖5所示，依賴收發(fā)端線圈間耦合磁場建立能量和信號傳輸通路。磁耦合感應(yīng)式SWPIT傳輸由于不發(fā)生諧振，只依賴線圈之間通過空氣或磁芯形成的耦合通路，因此要求傳輸距離較近，一般為mm級，感應(yīng)式電能傳輸效率極高，可以達到95%以上，但受限于傳輸距離和線圈設(shè)計極限，難以提高傳輸功率。并且由于傳輸距離很近，顯然不適用于絕大多數(shù)通信場景，因此一般常用作植入式醫(yī)療設(shè)備的通信供電裝置。磁耦合諧振式SWPIT依賴發(fā)射側(cè)和接收側(cè)形成的磁共振，在收發(fā)線圈之間形成了損耗極小，定向性較高的能量鏈路，因此大大提高了傳輸距離和傳輸功率，可以廣泛應(yīng)用于手機充電、電動汽車與電網(wǎng)互動(V2G)等大中功率場景。

圖5 近場磁耦合SWPIT示意圖

磁耦合式SWPIT實現(xiàn)通信的方式大體可以分為兩類，一類是采用信號注入式，其思路與傳統(tǒng)電力線載波(Power Line Communication,PLC)相類似，在發(fā)射側(cè)通過注入高頻調(diào)制信號到發(fā)射回路中，構(gòu)造額外的信號收發(fā)線圈形成信號鏈路或是采用時分復(fù)用策略，使收發(fā)線圈諧振頻率在高頻與低頻間切換，在接收側(cè)通過高通濾波器獲得接收到的高頻信號進行還原。這一方法的好處在于信號傳輸不會對能量傳輸造成影響，能量傳輸過程相對穩(wěn)定，缺點在于額外的信號注入、發(fā)射和還原裝置使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且時分復(fù)用方法既降低了能量傳輸效率，又不能實現(xiàn)真正意義上的“同步傳輸”。另一類是直接調(diào)制策略，對發(fā)射側(cè)交流輸入電源的幅值、頻率、相位、占空比、波形形狀等變量進行調(diào)制，其本質(zhì)是為了拓展系統(tǒng)的帶寬，使得系統(tǒng)從單純能量傳輸?shù)臒o帶寬系統(tǒng)變成具有一定帶寬的窄帶系統(tǒng)，從而在犧牲一小部分傳輸效率的前提下，獲得信號傳輸所必需的帶寬。這其中由于頻率和相位調(diào)制更易做到和能量傳輸解耦，因此得到較為廣泛的應(yīng)用，常見的調(diào)制策略包括幅移鍵控(Amplitude Shift Keying,ASK)、頻移鍵控(Frequency Shift Keying,FSK)調(diào)制、相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)以及由這些策略衍生出的調(diào)制方法。

結(jié)語：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步落地，大規(guī)模的基于微型集成電路和傳感器的小型電子設(shè)備將會廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活場景中，如何解決這些設(shè)備低功耗超長待機的供電需求和多機交互乃至人機交互的需求，將會是擺在產(chǎn)業(yè)界面前的難題之一，而本文所介紹的SWPIT技術(shù)則是解決這一痛點問題的一個有力抓手，但目前也應(yīng)當(dāng)清醒地看到當(dāng)前SWPIT技術(shù)的諸多弊病，如全雙工問題、多頻段多通道帶來的阻抗特性問題等等。相信隨著科技界與產(chǎn)業(yè)界的繼續(xù)合作，SWPIT技術(shù)將成為新一代物聯(lián)網(wǎng)社會得以實現(xiàn)的可靠保障。